pengaruh harmonisa pada gardu trafo tiang - Faculty e

PENGARUH HARMONISA PADA GARDU TRAFO TIANG
DAYA 100 kVA DI PLN APJ SURABAYA SELATAN
1
Julius Sentosa Setiadji1, Tabrani Machmudsyah2, Yohanes Cipta Wijaya
Fakultas Teknologi Industri, Jurusan Teknik Elektro, Universitas Kristen Petra
2
PT. PLN(Persero) Distribusi Jawa Timur
email : [email protected],
Abstrak
Dengan kemajuan teknologi informasi maka komputer dan printer semakin
banyak digunakan di rumah tinggal. Di sisi lain, krisis energi menjadi pemicu
meningkatnya penggunaan Lampu Hemat Energi (LHE). Komputer, printer &
LHE merupakan beban non linier yang menjadi penyebab munculnya harmonisa
yang dapat mengganggu sistem distribusi listrik termasuk Trafo Tiang (TT).
Dengan melakukan pengukuran di TT maka dapat diketahui bahwa pada
TT timbul arus harmonisa yang dapat meningkatkan rugi-rugi pada TT.
Setelah dianalisa, diperoleh bahwa semakin besar pembebanan pada TT
(83,14%) maka rugi-rugi beban akan semakin besar (6%) dan THD (Total
Harmonic Distortion) arus akan naik (18,3%) & melebih standard THD (8%)
Kata kunci : harmonisa, trafo tiang
Abstract
Increasing in Information Technology also increase the use of computer
and printer at home. On other hand the energy crisis causing “Saving Energy
Lamp” (LHE) become largely used nowadays. Computer, Printer and “Saving
Energy Lamp” are non linear load that cause a power harmonic distortion in the
power system distribution grid, including in the pole-mounted transformer.
The harmonic current that can caused transformer losses can be measured
at pole-mounted transformer.
In conclusion, increasing load at pole-mounted transformer (83,14%) will
raise losses at load (6%) and current THD (Total Harmonic Distortion) (18.3%).
In this measurement the current harmonic is higher than standard THD (8%).
Key words : harmonic, pole-mounted transformer
Pendahuluan
Pertumbuhan listrik dari suatu negara adalah dua kali dari pertumbuhan
ekonominya. Dengan adanya pertumbuhan ekonomi, maka daya beli masyarakat
juga meningkat. Meningkatnya daya beli ini ditandai dengan semakin banyaknya
peralatan – peralatan elektronik yang dimiliki oleh seseorang, salah satunya
adalah komputer. Penggunaan komputer pada masa sekarang ini sangat penting,
karena dengan komputer suatu pekerjaan menjadi lebih mudah. Tetapi di sisi lain,
penggunaan komputer mempunyai pengaruh dalam sistem distribusi listrik.
Komputer merupakan salah satu contoh dari beban non linier, sedangkan beban
non linier merupakan penyebab munculnya harmonisa yang dapat mengganggu
1
sistem distribusi listrik. Adanya harmonisa ini menyebabkan gelombang arus dan
tegangan menjadi cacat dan tidak sinusoidal lagi.
Harmonisa mempunyai pengaruh pada sistem distribusi listrik. Salah satu
komponen dalam sistem distribusi listrik adalah transformator. Pengaruh
harmonisa pada transformator adalah bertambahnya rugi – rugi beban (PLL), rugi
I2R dan rugi Eddy Current.. Selain itu juga dapat menyebabkan pembebanan lebih
pada kawat netral.
Teori Harmonisa
Dalam sistem tenaga listrik yang ideal, bentuk gelombang tegangan yang
disalurkan ke peralatan konsumen dan bentuk gelombang arus yang dihasilkan
adalah gelombang sinus murni.
Harmonisa adalah gangguan yang terjadi dalam sistem distribusi tenaga
listrik yang disebabkan adanya distorsi gelombang arus dan tegangan. Distorsi
gelombang arus dan tegangan ini disebabkan adanya pembentukan gelombanggelombang dengan frekuensi kelipatan bulat dari frekuensi fundamentalnya.[3]
Harmonisa bisa muncul akibat adanya beban – beban non linier yang
terhubung ke sistem distribusi. Beban non liner ini umumnya adalah peralatan
elektronik yang di dalamnya banyak terdapat komponen semi konduktor, yang
dalam proses kerjanya berlaku sebagai saklar yang bekerja pada setiap siklus
gelombang dari sumber tegangan. Beberapa contoh beban non liner antara lain :
variable speed drive, komputer, printer, lampu fluorescent yang menggunakan
elektronik ballast.
Gambar 1. Gelombang Sinus Arus dan Tegangan
Gelombang non sinusoidal dapat terbentuk dengan menjumlahkan gelombang –
gelombang sinusoidal, seperti terlihat pada gambar 2. [3]
2
Gambar 2. Gelombang Fundamental, Harmonik Ketiga & Hasil Penjumlahannya
Individual Harmonic Distortion (IHD) adalah rasio antara nilai RMS dari
harmonisa individual dan nilai RMS dari fundamental.
Total Harmonic Distortion (THD) adalah rasio antara nilai RMS dari
komponen harmonisa dan nilai RMS dari fundamental. Hubungan antara THD
dengan IHD dapat dilihat dari persamaan berikut : [3]
2
2
2
2 1/2
THD = (IHD2 + IHD3 + IHD4 + … IHDn )
(1)
Standar harmonisa berdasarkan standar IEEE 519. Ada dua kriteria yang
digunakan untuk mengevaluasi distorsi harmonisa. Yaitu batasan untuk harmonisa
arus, dan batasan untuk harmonisa tegangan. Untuk standard harmonisa arus,
3
ditentukan oleh rasio Isc/IL. Isc adalah arus hubung singkat yang ada pada PCC
(Point of Common Coupling), sedangkan IL adalah arus beban fundamental
nominal. Sedangkan untuk standard harmonisa tegangan ditentukan oleh tegangan
sistem yang dipakai. [6]
Tabel 1. Standard Harmonisa Arus
Tabel 2. Standard Harmonisa Tegangan
Pengaruh Harmonisa Pada Transformator
Transformator dirancang untuk menyalurkan daya yang dibutuhkan ke
beban dengan rugi-rugi minimum pada frekuensi fundamentalnya. Arus
harmonisa dan tegangan secara signifikan akan menyebabkan panas lebih. Ada 3
pengaruh yang menimbulkan panas lebih pada transformator ketika arus beban
mengandung komponen harmonisa : [2]

Arus rms. Jika transformator kapasitasnya hanya untuk kVA yang dibutuhkan
beban, arus harmonisa dapat mengakibatkan arus rms trafo menjadi lebih
besar dari kapasitasnya. Meningkatnya arus rms menyebabkan rugi-rugi pada
penghantar juga bertambah.
 Eddy-current loses. Arus induksi di dalam trafo yang disebabkan oleh fluks
magnetik. Arus induksi ini mengalir di belitan, di inti, dan di badan
penghantar lain yang terlingkupi oleh medan magnet dari transformator dan
menyebabkan panas lebih. Komponen rugi-rugi trafo ini meningkat dengan
kuadrat dari frekuensi arus penyebab eddy current. Oleh karena itu, ini
4

menjadi komponen yang sangat penting dari rugi – rugi trafo yang
menyebabkan pemanasan oleh harmonisa.
Rugi Inti. Peningkatan rugi inti yang disebabkan oleh harmonisa bergantung
pada pengaruh harmonisa pada tegangan yang diberikan dan rancangan dari
inti trafo. Semakin besar distorsi tegangan maka semakin tinggi pula eddy
current di laminasi inti. Peningkatan rugi inti karena harmonisa tidak sekritis
dua rugi – rugi di atas.
Teori Perhitungan Load Loss (PLL) Trafo
Untuk menghitung load loss trafo dalam per unit, dapat dicari dengan
rumus sebagai berikut : [5]
PLL = Σ Ih2 + ( Σ Ih2 x h2 ) PEC-R (p.u)
(2)
dimana:
PEC-R = faktor eddy current loss
h
= angka harmonisa
Ih
= arus harmonisa
2
2
2
2
Σ Ih merupakan komponen rugi I R dalam p.u, sedangkan ( Σ Ih x h ) PEC-R
merupakan komponen rugi eddy current dalam p.u.
Untuk mencari faktor eddy current loss dapat dilihat pada tabel 3.[5]
Tabel 3. Nilai dari PEC_R
Pengumpulan Data :
Spesifikasi Trafo Tiang adalah sebagai berikut :
Buatan Pabrik
: UNINDO
Tipe
: Outdoor
Daya
: 100 kVA
Tegangan Kerja
: 21/20,5/20/19,5/19 kV // 400 V
Arus
: 3,1 – 186 A
Hubungan
: Dyn5
Impedansi
: 4%
Trafo
: 1 x 3 phasa
5
Phasa
R
S
T
Tabel 4. Data Hasil Pengukuran Trafo Tiang
Tegangan Arus
Daya
Daya
Cos 
(V)
(A)
Aktif
Nyata
(kW)
(kVA)
223
115.3
24
26
0.94
224
113
23
25
0.92
221
120
24
26
0.92
Phasa
R
S
T
Netral
In = 62.41 A
THD =
66.01%
Tabel 5. Kandungan Harmonisa Arus Ganjil
Harmonik ke :
IHD (%)
Arus (A)
3
10.7
12.34
5
5.3
6.11
7
2.4
2.77
9
2.6
3.00
11
0.7
0.81
13
0.6
0.69
15
0.9
1.04
3
13.9
15.71
5
8.6
10.51
7
6.7
7.57
9
4.1
4.63
11
0.6
0.68
13
0.3
0.34
15
0.8
0.90
3
12.4
14.88
5
10.2
12.24
7
7.1
8.52
9
4.9
5.88
11
1.1
1.32
13
0.9
1.08
15
1.4
1.08
3
58.1
36.26
5
10.6
6.62
7
8.1
5.06
9
21.3
13.29
11
5.7
3.56
13
4.6
2.87
15
17.2
10.73
VTHD
(%)
ITHD
(%)
3.1
2.4
2.4
12.5
18.3
18.3
Urutan
Nol
Negatif
Positif
Nol
Negatif
Positif
Nol
Nol
Negatif
Positif
Nol
Negatif
Positif
Nol
Nol
Negatif
Positif
Nol
Negatif
Positif
Nol
Nol
Negatif
Positif
Nol
Negatif
Positif
Nol
Analisa Perhitungan Arus Hubung Singkat
Z = 4%
S = 100 kVA
V = 0,4 kV phasa - phasa
6
IFL
=
ISC
=
S
3 V
=
100000
3  400
kVA 100
%Z  3  kV
=
= 144,34 Ampere
100  100
4  3  0,4
= 3608,44 Ampere
Analisa Pembebanan Pada Trafo
Tabel 6. Analisa Pembebanan pada Trafo Tiang
Phasa
Arus nominal (A)
Arus Full load (A)
% Pembebanan
R
115,3
144,34
79,88
S
113
144,34
78,29
T
120
144,34
83,14
Dari tabel di atas terlihat bahwa pembebanan pada ketiga phasa di Trafo tiang
hampir seimbang (rata-rata pembebanan ketiga phasa adalah 80.43 %).
Analisa THD (Total Harmonic Distortion) pada Trafo Tiang
Tabel 7. Analisa THD Arus pada Trafo Tiang
Phasa
IL
ISC / IL Range Pengukuran Standard Melebihi Lebih
h<11 (%)
h (%)
standard
(%)
/ Tidak
Analisa THD Arus Orde<11
R
79,88 % 31,296 20-50
12.45
7
Melebihi
5.45
IFL
S
78,29 % 31,933 20-50
18.13
7
Melebihi 11.13
IFL
T
83,14 % 30,070 20-50
18.23
7
Melebihi 11.23
IFL
Analisa THD Arus Orde 11 s/d 16
R
79,88 % 31,296 20-50
1.29
3.5
Tidak
IFL
Melebihi
S
78,29 % 31,933 20-50
1.04
3.5
Tidak
IFL
Melebihi
T
83,14 % 30,070 20-50
1.99
3.5
Tidak
IFL
Melebihi
THD Arus Total
R
79,88 % 31,296 20-50
12.5
8
Melebihi
4.5
IFL
S
78,29 % 31,933 20-50
18.3
8
Melebihi
10.3
IFL
T
83,14 % 30,070 20-50
18.3
8
Melebihi
10.3
IFL
Dari tabel di atas terlihat bahwa THD Arus pada orde 11 s/d 16 tidak melebihi
standard sedangkan THD Arus pada orde < 11 dan THD Arus total melebihi
standard. Hal ini tidak terlalu bermasalah karena rata-rata pembebanan ketiga
phasa adalah 80.43 % sedangkan rata-rata THD Arus pada orde < 11 adalah 16.29
7
% dan rata-rata THD Arus total adalah 16.37 % sehingga belum melewati
kapasitas trafo.

Analisa THD Tegangan :
Tabel 8. Analisa THD Tegangan pada Trafo Tiang
Phasa
VTHD
VTHD
Keterangan
Pengukuran (%)
Standard (%)
R
2.4
5
Tidak melebihi standard
S
2.4
5
Tidak melebihi standard
T
2.4
5
Tidak melebihi standard
Dari tabel di atas terlihat bahwa THD tegangan pada ketiga phasa masih di bawah
Standard
Analisa Pengaruh Harmonisa pada Transformator
 Terhadap Netral Traformator
2
THD arus urutan nol fasa R
2
2 1/2
= (IHD3 + IHD9 + IHD15 )
2
2
2 1/2
= (10,7 + 2,6 + 0,9 )
= 11,05 %
I urutan nol R = 11,05% x IR = 11,05% x 115,3 = 12,74 A
Tabel 9. Pengaruh Harmonisa pada Trafo Tiang
Phasa
I urutan nol
THD Arus urutan nol
(A)
(%)
R
12.74
11.05
S
16.40
14.51
T
16.09
13.41
Netral
45.23
64.23
Dari tabel di atas terlihat bahwa arus harmonisa urutan nol pada masing –
masing phasa saling menjumlah di netral trafo.

Terhadap Rugi-rugi Transformator
Berdasarkan hasil pengukuran maka perhitungan rugi-rugi beban (PLL) dalam
per unit pada fasa R adalah sebagai berikut:
h
Ih (A)
Ih (pu)
Ih2
Ih2 x h2
1
115.3
1.00
1.0000
1.0000
3
12.34
0.14
0.0196
0.1764
5
6.11
0.07
0.0049
0.1225
7
2.77
0.03
0.0009
0.0441
9
3.00
0.03
0.0009
0.0729
11
0.81
0.01
0.0001
0.0121
13
0.69
0.01
0.0001
0.0169
15
1.04
0.01
0.0001
0.0225
Jumlah :
1.0266
1.4674
8
2
2
2
PLL
= Σ Ih + ( Σ Ih x h ) PEC-R , dimana nilai PEC-R sesuai tabel 3
adalah 0,01
= 1,0266 + 1,4674 x 0,01
= 1,04 p.u
2
Sesuai rumus 2, akibat adanya komponen harmonisa maka Rugi I R
bertambah sebesar 0,0266 p.u dan Rugi eddy current bertambah sebesar
0,0047 p.u.
Phasa
Tabel 10. Perhitungan rugi-rugi beban (PLL) dalam per unit
Pertambahan
Pertambahan
Σ Ih2 Σ Ih2 x h2 PEC-R
PLL
2
IR
Eddy Current
(p.u)
(p.u)
(p.u)
(p.u)
(p.u)
(p.u)
R
1,0266 1,4674
0,01
1,04
0,0266
0,0047
S
1,0344 1,7832
0,01
1,05
0,0344
0,0078
T
1,0382 2,0222
0,01
1,06
0,0382
0.0102
Dari tabel di atas terlihat bahwa semakin tinggi total arus harmonisa pada tiap
phasa maka semakin tinggi pula rugi-rugi beban (PLL), pertambahan rugi I2R dan
pertambahan rugi Eddy Current.
Tabel 11. Rangkuman Analisa Pembebanan, Standard THD Arus,
dan Rugi-rugi Trafo Tiang
Phasa
% Load
ISC / IL
Standard THD Arus
(%)
THD Arus
(%)
Rugi-rugi
(pu)
R
79,88
31,296
8
12.5
1.04
S
78,29
31,933
8
18.3
1.05
T
83,14
30,070
8
18.3
1.06
Evaluasi Beban Non Linier
Spektrum harmonisa pada beberapa jenis beban non linier adalah sebagai berikut :
 Peralatan elektronik dengan SMPS (Switch Mode Power Supply) dan lampu
fluorescent menghasilkan spektrum harmonisa dengan harmonisa ketiga yang
dominan kemudian terus turun untuk harmonisa berikutnya.
9

PWM drive, konverter menghasilkan spektrum harmonisa dengan harmonisa
kelima yang dominan, sedangkan harmonisa ketiga cukup kecil.
Sedangkan spektrum harmonisa pada masing – masing trafo tiang berdasarkan
pengukuran yaitu harmonisa ketiga yang dominan kemudian terus turun untuk
harmonisa berikutnya. Jadi dapat disimpulkan bahwa beban non linier yang
dominan pada trafo tiang adalah lampu fluorescent dan peralatan elektronik
dengan SMPS seperti komputer, printer, mesin foto kopi, dan sejenisnya.
Kesimpulan
Berdasarkan analisa data di atas, terlihat bahwa THD arus pada trafo tiang
melebihi standar sedangkan THD tegangan pada trafo tiang tidak ada yang
melebihi standar.
Sesuai tabel 11, semakin besar pembebanan pada trafo (83,14%), maka Rugi-rugi
trafo tiang akan semakin besar (6%), dan THD arus akan naik (18,3%) &
melebihi standar (8%).
Beban non linier yang dominan pada trafo tiang adalah lampu fluorescent dan
peralatan elektronik seperti komputer, printer, mesin foto kopi, dan sejenisnya.
Referensi
[1] Bharat Heavy Electrical, Transformers, New Delhi : Tata McGraw-Hill
Publishing Company Ltd., 2003.
[2] J. Arrilaga, Bradley D.A., Bodger P.S., Power System Harmonics, New
York: John Wiley & Sons, 2003.
[3] C. Sankaran, Power Quality, USA : CRC Press LLC, 2002.
[4] Glen A. Mazur, Power Quality.Measurement And Troubleshooting, Illinois :
American Technical Publisher Inc., 1999.
[5] Roger C. Dugan, Mark F. McGranaghan, H. Wayne Beaty, Electrical Power
System Quality, New York : McGraw-Hill, 1996.
[6] James J.Burke, Power Distribution Engineering – Fundamentals And
Applications, New York : Marcel Dekker Inc., 1994.
[7] Abdul Kadir, Transformator, Jakarta: PT. Elex Media Komputindo, 1989.
10
[8]
[9]
Anthony J.Pansini, Electrical Distribution Engineering, Singapore :
McGraw – Hill, 1986.
Turan Gonen, Electric Power Distribution System Engineering, Singapore :
McGraw-Hill, Inc., 1986
11